Origami

Sep 01, 2023

Amanda Pedersen | 07 de marzo de 2023

Las tecnologías inspiradas en el origami han dado lugar a avances en muchas industrias, incluida la tecnología de baterías, el diseño de naves espaciales y, sí, incluso la tecnología médica.

A lo largo de los años, MD+DI ha informado sobre muchas tecnologías inspiradas en el origami. De hecho, en 2015, las baterías inspiradas en el origami ocuparon el primer lugar en una serie de encuestas que pedían a los lectores de MD+DI que identificaran las nuevas tecnologías con mayor probabilidad de tener un efecto profundo en la tecnología médica en los próximos años.

A principios de ese año, los investigadores de la Universidad Estatal de Arizona (ASU) usaron una variación del origami, llamada kirigami, como plantilla de diseño para baterías que se pueden estirar a más del 150 por ciento de su tamaño original y aún así mantener la funcionalidad completa (en la foto de arriba). Un artículo que describe cómo los investigadores de ASU desarrollaron baterías de iones de litio basadas en kirigami se publicó el 11 de junio de 2015 en la revista Nature's Scientific Reports. La batería prototipo basada en kirigami se cosió a una pulsera elástica que se adjuntó a un reloj inteligente. La batería alimentó completamente el reloj y sus funciones, incluida la reproducción de video, mientras se estiraba la correa.

"La mayoría de los dispositivos portátiles requerirán energía, y para algunos será la mayor cantidad de energía posible en formas que son incómodas o deben flexionarse a medida que el usuario se mueve", dijo a MD+DI Bill Evans, ahora vicepresidente de Neptune Medical. en 2015. "Creo que una batería como el diseño inspirado en kirigami del equipo de ASU tiene mucho potencial en este mercado emergente de dispositivos portátiles debido a su capacidad para flexionarse mientras está en uso, y aún así ofrecer el mayor rendimiento y las características bien entendidas que la química del litio ofertas".

Los investigadores de ASU comenzaron hace dos años con el pliegue de origami Miura, explicó Hanqing Jiang, profesor de ingeniería mecánica y aeroespacial en ASU. El método, que lleva el nombre de su inventor, el astrofísico japonés Koryo Miura, consiste en plegar una superficie plana en un área más pequeña.

"El origami y el kirigami pertenecen a las bellas artes. Los ingenieros los han utilizado recientemente", dijo Jiang.

Miura parecía tener potencial cuando se trataba de proporcionar cierta elasticidad a las baterías de iones de litio que de otro modo serían rígidas. Pero Jiang y sus colegas, los estudiantes de doctorado Zeming Song y Xu Wang, pronto se encontraron con un problema: Miura es estirable, pero la altura cambió significativamente después de estiramientos repetidos. La solución a la que llegaron Jiang, Song y Wang fue una forma de origami llamada kirigami que implica tanto doblar como cortar. Kirigami permitió cortar y torcer para crear estructuras entrelazadas de baterías de iones de litio que eran estirables.

Origami también resultó útil para Seokheun Choi, profesor asistente de ingeniería eléctrica e informática en la Universidad de Binghamton (Binghamton, NY). A Choi se le ocurrieron biobaterías de papel inspiradas en el origami (en la foto a continuación) que potencialmente podrían alimentar sensores y otros dispositivos médicos de baja potencia en los países en desarrollo.

Las baterías incluyen un cátodo de respiración de aire creado al rociar níquel sobre un lado del papel de oficina común. El ánodo es una serigrafía con pinturas al carbón. Una gota de cualquier tipo de líquido que contenga bacterias puede producir electricidad en la biobatería de papel. Sin embargo, hubo un desafío de diseño significativo. Choi necesitaba colocar algunas de estas baterías de papel en una fila para producir suficientes microvatios para ser útiles. Un biosensor tiene limitaciones de espacio. Choi, quien obtuvo un doctorado de la Universidad Estatal de Arizona, conocía el trabajo de los investigadores de ASU y el trabajo de otros ingenieros que habían usado origami. Proporcionó una solución elegante para Choi.

"Podrías reducir el tamaño mediante técnicas de plegado... Podría conectar 28 baterías para aumentar la densidad de potencia utilizando tecnologías de origami. Creo que esta técnica es una herramienta con un gran potencial para cualquier biobatería o cualquier batería que utilice sustratos a base de papel. Tiene una enorme cantidad de potencial", dijo Choi.

En 2016, investigadores de la Universidad Brigham Young (BYU; Provo, UT) que ya habían estado trabajando con la NASA para usar los principios del origami en el diseño de naves espaciales, comenzaron a usar técnicas de origami relacionadas para crear herramientas quirúrgicas lo suficientemente pequeñas como para insertarlas en agujeros en la piel que puede curar sin suturas. BYU autorizó la tecnología al pionero de la cirugía robótica Intuitive Surgical. Este video (la transcripción está disponible a continuación) detalla algunas de las tecnologías inspiradas en el origami que BYU obtuvo con licencia de Intuitive.

La industria de los dispositivos quirúrgicos había llegado a un punto en el que se estaba volviendo imposible hacer las herramientas quirúrgicas más pequeñas utilizando la instrumentación tradicional. Pero los ingenieros de BYU pudieron eliminar las uniones de pasador de algunos instrumentos quirúrgicos, utilizando en su lugar un diseño inspirado en el origami. Por ejemplo, crearon fórceps controlados robóticamente diseñados para caber dentro de un orificio de 3 mm. "Estos pequeños instrumentos permitirán realizar una nueva gama de cirugías, con suerte, algún día manipulando cosas tan pequeñas como los nervios", Spencer Magleby. , dijo en ese momento un profesor de ingeniería mecánica en BYU. "Las ideas inspiradas en el origami realmente nos ayudan a ver cómo hacer las cosas cada vez más pequeñas y hacerlas cada vez más simples". Los investigadores también estaban trabajando en un dispositivo conocido como D-Core, que inicialmente tiene una configuración 2-D. pero se expande para convertirse en dos superficies redondeadas que pueden rodar para simular la interacción de los discos espinales. El dispositivo puede estar hecho de un solo material. Los investigadores en ese momento habían creado versiones de Tyvek, policarbonato, polipropileno y vidrio metálico. La investigación de D-Core se publicó en Mechanism and Machine Theory en 2015.

Transcripción de vídeo

Spencer Magleby, profesor de ingeniería mecánica, BYU: Una de las razones por las que la industria médica está interesada en el origami es crear dispositivos que sean más pequeños y querían un nuevo concepto, no solo un dispositivo más pequeño, sino una nueva forma de pensar en los dispositivos. .

Robert Lang, artista de origami, Robert J. Lang Origami: El origami suele ser útil en medicina por la misma razón por la que es útil en el espacio. Si tiene algo que es plano y similar a una lámina, pero desea introducirlo en el cuerpo, desea que entre por el orificio más pequeño posible.

Spencer Magleby: Los médicos siempre están buscando algún tipo de forma de ser menos invasivos o más precisos o tal vez de hacer cirugías que requieran más precisión, tal vez trabajando con nervios o algo que es muy pequeño. BYU celebró recientemente un acuerdo con Intuitive Surgical para otorgar licencias de patentes sobre dispositivos que se han desarrollado en nuestro laboratorio. Intuitive Surgical es una empresa que fabrica el robot da Vinci que realiza cirugías de forma robótica. Aquí podemos ver uno de sus dispositivos actuales que se usa para agarrar cosas o sostener una aguja para suturar. la inspiración inicial para el dispositivo de agarre en el que trabajamos fue un patrón de origami que la gente comúnmente llama chompers. Aquí hay un prototipo a gran escala que se basó en algunas ideas de origami para reducir el número de piezas.

Orador no identificado: Entonces, puede ver que aquí solo tenemos este plástico impreso en 3D, y aquí en realidad pasamos a acero inoxidable e impreso en 3D, y pudimos fabricar las piezas en esta escala de 4 milímetros.

Spencer Magleby: La impresión 3D nos permite experimentar la forma o el prototipo muy rápidamente. Puedo tener una idea desde la computadora hasta la impresora 3D y en nuestro laboratorio para verla en menos de un día. Tenemos alrededor de un tercio o un cuarto del número de piezas de un dispositivo actual, por lo que muchas menos piezas y las piezas que tenemos, la complejidad de las piezas, es menor. Nuestra gran idea es que podemos hacer las cosas cada vez más pequeñas inspirándonos en cosas como el origami que son muy simples. Entonces, en lugar de tratar de hacer que la complejidad sea cada vez más pequeña, buscamos la simplicidad desde el principio. Estos nuevos dispositivos que hemos creado para permitir que la cirugía robótica a menor escala sea menos invasiva, realmente sentimos que vamos a marcar una gran diferencia.

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